آموزش طراحی و ساخت سیستم های غشایی (NF ،UF ،RO) ، در صنایع آب و فاضلاب از انواع غشاهای پلیمری استفاده می کنند.
این غشاها شامل انواع اولترافیلتراسیون (UF)، نانوفیلتراسیون (NF)، میکروفیلتراسیون (MF) و اسمز معکوس (RO) می شوند. سیستم های غشایی کاربردهای فراوانی در صنایع آب و فاضلاب دارند. استفاده از این سیستم ها موجب کاهش مصرف انرژی می شود. علاوه بر این، در انتقال جرم با راندمان بالا هم نقش مهمی ایفا می کنند. از دیگر مزایای استفاده از این فرایندها، می توان به حجم کم و عدم نیاز به فضای زیاد، تنوع در شکل و اندازه، افت فشار کم، نیاز کم به حلال ها، سادگی طراحی غشا و کاربرد آسان آنها اشاره کرد.
سیستم غشایی چیست؟
غشا، فازی تراوا یا نیمه تراوا است که اجزای جداشونده در محلول با سرعت های مختلفی از آن عبور می کنند. غشا موجب تفکیک مولکول ها از نظر اندازه و یا مشخصات دیگر می شود. اختلاف فشار، غلظت، دما و پتانسیل الکتریکی ، می توانند عامل جداسازی مولکول ها باشند. فرایندهای جداسازی، هزینه های کلی را کاهش می دهند و موجب افزایش کیفیت محصول می شوند.
تفاوت غشا با فیلتر
غشاها انواع مختلفی دارند. جداسازی مولکول ها در غشاهای ساده بر اساس اختلاف اندازه ذرات صورت می گیرد. غشاهای ساده از این نظر مشابه فیلترها هستند. اما غشا با فیلتر از نظر اندازه منافذ، توزیع اندازه آنها و نحوه جریان متفاوت است. کارایی هر غشا با توجه به دبی عبوری و خاصیت انتخابی غشا تعیین می شود.
انواع فرایندهای جداسازی غشایی
در حال حاضر استفاده از اسمز معکوس، میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، الکترو دیالیز، نانوفیلتراسیون، جداسازی گازی و تراوش تبخیری افزایش یافته است. دلیل این مسئله، توجه بیشتر به حفاظت از محیط زیست، تقاضا برای آب تمیز و راندمان انرژی بالا می باشد. جداسازی در فرایندهای نانوفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون و ب بر اساس اختلاف فشار صورت می گیرد. این روش ها بیشتر در فرایندهای تصفیه آب و فاضلاب به کار می روند.
1- اسمز معکوس (Reverse Osmosis)
به کمک این فرایند می توان جامدات حل شده، باکتری، ویروس و سایر مواد میکروبی درون آب را حذف کرد. فرایند اسمز معکوس بر اساس نیرو محرکه فشاری انجام می شود و در بیشتر موارد برای شیرین کردن آب دریا به کار می رود. در روش اسمز معکوس، تغییر فازی وجود ندارد. ضمن اینکه انرژی پایینی در آن مصرف می شود. این موارد به عنوان ویژگی های برجسته روش اسمز معکوس شناخته می شوند. تقریبا جنس همه ی غشاهای اسمز معکوس از ترکیبات پلی آمیدی و استات سلولز می باشند.
2- اولترافیلتراسیون (Ultra filtration)
منافذ موجود در این نوع غشا بزرگتر از اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون می باشند. اندازه این حفرات تقریبا بین 0.1 تا 0.01 میکرون است. فاکتورهایی مانند بار، اندازه ذره، خواص فیزیکی غشا ( نفوذپذیری، ضخامت و…)، غلظت، فشار سیستم، سرعت و دما نقش مهمی در اولترافیلتراسیون دارند. فشار کمی در این روش اعمال می شود. نمک ها، قندها، اسیدهای آلی و پپتیدهای کوچک از غشای UF عبور می کنند. اما پروتئین ها، چربی ها و پلی ساکاریدها نمی توانند به آن نفوذ کنند. استفاده از این فرایند در تصفیه آب به جداسازی باکتری ها، تک یاخته ها و بعضی ویروس ها کمک می کند. امروزه این نوع غشا در تصفیه پساب های صنعتی، صنایع دارویی، غذایی و بیوتکنولوژی مورد استفاده قرار می گیرد.
روش طراحی و ساخت سیستم غشایی اولترافیلتراسیون
عملیات جداسازی در غشاهای متخلخل بر اساس اندازه منافذ صورت می گیرد. در حال حاضر روش های زینتر، کشش، وارونگی فاز، سل-ژل، رسوب از فاز بخار و پوشش به عنوان مهم ترین روش های ساخت و اصلاح غشا محسوب می شوند. خصوصیات غشاهای متخلخل با توجه به فاکتورهایی مانند اندازه منافذ و توزیع آن، ضخامت لایه بالا، تخلخل سطح و نفوذپذیری تعیین می شوند.
3- نانوفیلتراسیون (Nanofiltration)
در این روش با استفاده از غشاها می توان سیالات و یون های مختلف را جداسازی نمود. با کمک نانوفیلتراسیون می توان نمک های تک ظرفیتی، دو ظرفیتی و حل شده غیر یونی با وزن مولکولی کمتر از 2000 گرم بر مول را جدا کرد. محدوده کاربرد نانوفیلتراسیون بین اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون می باشد. حفرات غشایی در نانوفیلتراسیون بزرگتر از اسمز معکوس هستند. استفاده از این روش موجب صرفه جویی در آب کل مصرفی می شود. این امر به دلیل سرعت جریان با غلظت پایین تر می باشد. این مورد به عنوان مزیت نانوفیلتراسیون بر اسمز معکوس شناخته می شود. غشاهایی که در این فرایند به کار می روند، ساختاری متخلخل از نوع میکرو دارند. قطر این سوراخ ها کمتر از 2 نانومتر می باشد و از مواد پلیمری ساخته شده اند. این مواد در اغلب مواقع دارای بار یونی هستند. امروزه این نوع غشا در صنایع مختلفی مانند بیوتکنولوژی، صنایع غذایی، آب و فاضلاب به کار می رود. این روش از نظر هزینه انرژی و دفع یون و ابعاد حفرات بهتر از سایر روش ها است.
ویژگی های اساسی فرایند نانوفیلتراسیون
– جداسازی ذرات 200 تا 2000 گرم بر مول
– احتباس ذرات باردار بر اساس بار یونی آنها
– محدوده اعمال فشار کمتر نسبت به اسمز معکوس
– دبی جریان عبوری بیشتر نسبت به فرایند اسمز معکوس
کاربرد فرایندهای غشایی در تصفیه آب و فاضلاب
امروزه از انواع فناوری های غشایی برای تصفیه آب آشامیدنی و یا پیش تصفیه استفاده می شود. این کار با هدف حذف کدورت، جامدات معلق، ویروس ها، رنگ و برخی مواد آلی صورت می گیرد. علاوه بر این، جهت گندزدایی آب های سطحی و زیرزمینی (همراه با کلر زدن)، تولید آب صنعتی از آب سطحی و حذف جامدات معلق و کلوییدی، تولید آب از پساب خروجی تصفیه خانه های فاضلاب شهری و … به کار می روند.
سخن پایانی
سیستم های غشایی در تصفیه خانه های صنعت آب و فاضلاب و پساب های صنعتی به ویژه تصفیه پساب های نفتی بسیار اهمیت دارند. مزایای زیاد این سیستم ها باعث شده تا در صنایع مختلفی مورد استفاده قرار بگیرند.